基于光的靜摩擦和切向加載的動(dòng)態(tài)雙軸運(yùn)動(dòng)

基于光的靜摩擦和切向加載的動(dòng)態(tài)雙軸運(yùn)動(dòng)

2.1結(jié)果的采集和數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用（1）在工作中，通過(guò)法向加載n，測(cè)試對(duì)象表面和鏡子表面之間緊密接觸。(2)在一定的法向壓力下,如果試樣受到一個(gè)切向壓力F,試樣和棱鏡產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),它們之間的摩擦力為f(開(kāi)始為靜摩擦力),如果f和F相等,則試樣和棱鏡保持相對(duì)靜止。讓壓力F逐漸增大,此時(shí)f也逐漸增大,當(dāng)壓力F大于試件和棱鏡間的最大靜摩擦力時(shí),試件移動(dòng),靜摩擦變成動(dòng)摩擦。(3)在這個(gè)過(guò)程中,試樣和棱鏡接觸面之間的實(shí)際接觸情況可以通過(guò)顯微鏡觀察,試樣的表面形貌特征被顯微鏡放大,然后被CCD獲取,通過(guò)采集卡采樣并記錄到計(jì)算機(jī)中。連續(xù)采集,就可以把一過(guò)程完整地記錄下來(lái)。同時(shí),試樣受到的切向力F和法向載荷N也可通過(guò)力傳感器采集記錄,這樣可完成圖像和力的匹配對(duì)應(yīng)。(4)最后用軟件進(jìn)一步分析整個(gè)摩擦過(guò)程的摩擦力變化和接觸面的真實(shí)接觸情況。(5)整個(gè)摩擦過(guò)程可以是干摩擦,也可以是帶潤(rùn)滑液的摩擦。另外,在帶潤(rùn)滑液的摩擦過(guò)程中,如果在潤(rùn)滑液中添加熒光劑,可大大地提高觀測(cè)能力,采集出來(lái)的接觸圖像分辨能力更好。2.2試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)(1)切向加載速度可調(diào)機(jī)構(gòu)。測(cè)量過(guò)程需要切向力漸變可調(diào),切向加載裝置如圖3所示。電機(jī)旋轉(zhuǎn),由聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu),壓縮彈簧儲(chǔ)能,同時(shí)逐漸增加對(duì)工作臺(tái)上試件的切向力F(和摩擦力f相平衡),直到切向力大于最大靜摩擦力,試件發(fā)生移動(dòng)。這樣,該機(jī)構(gòu)達(dá)到逐漸加載的目的,選用不同彈性的彈簧和不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速組合,可以得到不同的加載速度。(2)控制采集部分。實(shí)驗(yàn)中,試件和棱鏡的全反射底面接觸,承受法向載荷N,同時(shí)試件受到切向力F推動(dòng)。法向載荷和切向載荷分別由兩個(gè)力傳感器測(cè)量,傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大后,送入計(jì)算機(jī)AD卡采樣,并由數(shù)碼顯示器顯示?！D卡選用大恒公司的AC1058,該卡同時(shí)具有DI/O輸出功能。·步進(jìn)電機(jī)由外接電路的8253產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖驅(qū)動(dòng)并控制?！D像卡選用和訊公司的flyvideo多媒體卡,它可以連續(xù)攝像,圖像數(shù)據(jù)傳輸是流的方式。這對(duì)于研究摩擦狀態(tài)由靜摩擦向動(dòng)摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)換的捕捉是很有用的。另外,載物臺(tái)上的行程開(kāi)關(guān)可在試件發(fā)生運(yùn)動(dòng),靜摩擦狀態(tài)結(jié)束時(shí)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)棱鏡。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的棱鏡選用藍(lán)寶石的道威棱鏡,其折射率n1=1.77,底面經(jīng)過(guò)超精加工,Ra<5nm,莫氏硬度9.2,極耐磨,是理想的測(cè)量形貌的材料。若取折射率n2=1.5的潤(rùn)滑油,根據(jù)光的波動(dòng)理論,可算出臨界角為25°。(4)光源。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的光源選用溴鎢燈,這是連續(xù)光譜的非相干光,譜線范圍在0.15～1.2μm,選擇非相干光的原因是避免相干性好的單色光源產(chǎn)生光學(xué)干涉散斑。為了方便測(cè)量,同時(shí)增大光能的傳輸效率,采用濾波片將溴鎢燈光光譜濾成準(zhǔn)單色光。此外,為了減小燈絲影像的不均勻影響,采用毛化玻璃均化視場(chǎng)。(5)顯微鏡和CCD感光元件。顯微鏡選擇體式顯微鏡,它具有較長(zhǎng)的前工作距,即成像時(shí)物體離前鏡面的距離較長(zhǎng),這是測(cè)量系統(tǒng)所要求的。攝像的CCD選用的是MTV-1881CB,它的技術(shù)指標(biāo)是:感光區(qū)域8mm×6mm,譜線峰值響應(yīng)0.75μm,空間分辨率是800線×800線,滿足使用要求。2.3圖像讀取和處理模塊的程序軟件部分主要由3個(gè)模塊組成:可調(diào)脈沖的產(chǎn)生;載荷采樣;圖像的攝取和存儲(chǔ)處理。(1)可調(diào)脈沖產(chǎn)生的框圖如圖4所示。counter0,counter1,counter2分別是8253三個(gè)計(jì)數(shù)器的值,即分頻比,控制字和計(jì)數(shù)值由計(jì)算機(jī)控制AC1058DI/O端口輸入8253,脈沖頻率f=100000000/(counter0×counter1×counter2)。(2)力采樣的程序框圖如圖5所示。將法向采樣的平均值作為法向載荷Fn,切向采樣的最大值作為最大靜摩擦力Fmax,則最大靜摩擦因數(shù)f=Fmax/Fn。(3)圖像攝取和處理模塊的程序框圖如圖6所示。試樣和棱鏡之間接觸面的一系列表面形貌變化圖形被CCD記錄以后,由圖像采集卡采集后,通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中,然后通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行處理。圖像采集過(guò)程可跟摩擦力測(cè)量實(shí)現(xiàn)同步,有利以后分析。圖像采集以后,可通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行處理,并對(duì)比對(duì)應(yīng)的摩擦力變化,進(jìn)行更全面的分析。當(dāng)然,處理過(guò)程可以脫離實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。其中的圖像處理過(guò)程主要包括濾波去除背景、二值化、統(tǒng)計(jì)真實(shí)接觸面積、接觸點(diǎn)邊界尋找和分析等。摩擦學(xué)是機(jī)械學(xué)研究的領(lǐng)域之一,是研究摩擦、磨損與潤(rùn)滑學(xué)科的總稱。摩擦學(xué)研究的領(lǐng)域非常廣泛,其中一個(gè)主要的方向就是對(duì)表面形貌的研究。古典摩擦定律認(rèn)為摩擦因數(shù)決定于材料和表面的性質(zhì),與載荷、表面的接觸面積等因素?zé)o關(guān)。近代研究表明,摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,摩擦因數(shù)不只取決于摩擦副中配偶材料性質(zhì)的常數(shù),而是跟表面的組成和形貌、真實(shí)接觸面積、載荷、滑動(dòng)速度等因素有關(guān),并受周圍介質(zhì)工作條件的影響。影響靜摩擦因數(shù)有很多因素,從接觸面的真實(shí)接觸情況來(lái)研究靜摩擦是一個(gè)很好途徑。使用顯微鏡來(lái)觀察真實(shí)接觸表面,它具有直觀、精度高等特點(diǎn)。針對(duì)特殊表面形貌摩擦的最大靜摩擦力的測(cè)量,在深入研究光的受抑全反射在測(cè)量真實(shí)接觸面積的可能性基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了光受抑全反射靜摩擦綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)為表面形貌摩擦研究提供了一種手段,便于對(duì)摩擦試樣從靜摩擦到動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換過(guò)程中的最大靜摩擦力進(jìn)行測(cè)量。1試樣表面的受抑全反射法測(cè)表面如圖1所示,介質(zhì)1是棱鏡,介質(zhì)2是空氣,介質(zhì)3是試樣,當(dāng)光從光密介質(zhì)(介質(zhì)1)進(jìn)入光疏介質(zhì)(介質(zhì)2),即n1>n2時(shí),并且入射角大于或者等于臨界角時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象,實(shí)際上全反射光經(jīng)過(guò)界面要逐步衰減一部分。當(dāng)介質(zhì)2的厚度有限,在光的波長(zhǎng)量級(jí),且介質(zhì)3的折射率大于媒介2的折射率,即n3>n2時(shí),入射光的能量就通過(guò)介質(zhì)2傳到介質(zhì)3中,此時(shí)的全反射就變成部分反射。由于介質(zhì)2各處的厚度不同,所以部分反射后的光強(qiáng)度不同,根據(jù)光強(qiáng)可得到試件的表面形貌。所以待測(cè)表面的波峰和波谷差小于波長(zhǎng),且上試件的表面粗糙度相對(duì)小時(shí),被測(cè)表面的三維輪廓就可用光受抑全反射法測(cè)量出來(lái)了。當(dāng)所研究的表面與透明材料的試樣(棱鏡)發(fā)生接觸時(shí),接觸斑點(diǎn)相對(duì)于非接觸區(qū)是暗區(qū)。受抑全反射的接觸面圖像經(jīng)過(guò)顯微鏡放大,由安裝在顯微鏡目鏡處的CCD感光元件讀取,并由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行采集處理,這樣就完成了接觸面圖像的采集。2靜摩擦力實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)靜摩擦實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)集機(jī)械、電路、軟件一體的實(shí)驗(yàn)裝置圖2為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的原理